Этот пост посвящен удивительному физическому явлению, за открытие которого группе советских ученых могла бы быть присуждена Нобелевская премия по физике. Премии по разным причинам не случилось, но случился прорыв в развитии технологий по формированию мощных потоков энергии, электронных и ионных пучков, технологий по модификации различных материалов. Об этих технологиях я расскажу в дальнейших статьях, а сегодня я познакомлю читателей с явлением взрывной электронной эмиссии — открытия советских ученых, зарегистрированного 25 июня 1976 года и внесенного в список фундаментальных открытий в физике наравне с открытием электрона, рентгеновских лучей, лазерного излучения и сверхпроводимости.

Исторический экскурс


Любому открытию предшествует цепь различных событий, наблюдений и экспериментов. Так и в этом случае, в основе развития множества технологий, которые окружают нас, лежат простейшие (для нас сейчас), но уникальные вещи. Это опыты Фарадея, Гальвани, Вольта, Петрова, Штарка.


Спустя почти сто лет, в 1896 году, на поверхности ртутного катода были замечены яркие точки, которые позже детально исследовал Штарк. Он доказал, что данные точки присущи всем формам дугового разряда независимо от материала катода, а в 1904 году им впервые было введено понятие «катодного пятна». Однако, причины и механизм возникновения катодных пятен остался не выясненным.

Я не случайно пишу эту статью. В 1998 году, после окончания Томского госуниверситета, я совсем молодым человеком пришел работать в Институт сильноточной электроники. В лабораторию вакуумной электроники. После курса «молодого бойца» по сборке-разборке форвакуумного оборудования и сдачи различных допусков, я решил получить и исследовать катодные пятна на установке по генерации сильноточных (вообще по норме русского языка логичней сказать «сильнотоковых», но термин «сильноточный» устоялся, поэтому будет использоваться далее. Прим. автора) пучков. Пригодились навыки любительской фотографии, так как в лаборатории ещё не было скоростных видеокамер и матриц, съемки велись фотоаппаратом «Зенит» на специальную фотопленку «Микрат». Чудесные времена! Сквозь запах гидрохинона проявлялись катодные пятна.
Фото исследовательской установки

Схема эксперимента достаточно простая. В вакуумной камере между катодами 1 и 3 и плазменным анодом 2 зажигается отражательный разряд. Через прозрачное окно 4 можно наблюдать катодные пятна. Именно через это окно велась фотосъёмка явления. Для того, чтобы зафиксировать пятна, катод отражательного разряда 3 был выполнен из металлической сетки. Примерно такие фотографии были получены в этом эксперименте. Вот три кадра из нескольких сотен, полученных тогда.

Разряд существует всего несколько десятков милисекунд, но этого хватает для регистрации катодных пятен в режиме «открытого затвора» на чувствительную фотопленку «Микрат». Яркие точки и есть катодные пятна. При этом они возникают равновероятно как на катоде 1, так и на сетке 3. Очевидно, что размытые пятна принадлежат катоду 1 (не в фокусе), а четкие — сетке. Конечно, это интегральный снимок. По нему нельзя понять динамику катодных пятен, момент и время образования первого пятна и многое другое. Но этот эксперимент был для меня очень полезен, так как я увидел воочию само явление в целом.

Механизм развития взрывной электронной эмиссии


С времен экспериментов Штарка прошло более шестидесяти лет до момента понимания детальных механизмов взрывной электронной эмиссии. Но всё по порядку.
Шаг 1

Представим себе вакуумную камеру. Внутри камеры находится катод и анод. Подано напряжение. На катоде — отрицательный потенциал, на аноде, соответственно — положительный.

На поверхности катода возникает эмиссионный центр (ЭЦ). Эта стадия характеризуется мизерными токами — от наноампер до единиц миллиампер. Данную стадию называют предпробойной.
Шаг 2

Инициирование пробоя. Происходит микровзрыв эмиссионного центра. Теперь это взрывной эмиссионный центр (ВЭЦ). Создается «шарик» катодной плазмы, с поверхности которого эмитируются электроны в сторону анода. Это старт процесса взрывной электронной эмиссии.

При этом скорость разлета катодной плазмы много больше соответствующей тепловой скорости частиц, поэтому принято говорить о взрывном характере явления, в точном подобии со взрывом, к примеру, динамита, когда ударная волна приходит раньше поражающих при взрыве осколков. Поэтому явление названо «взрывная» электронная эмиссия.
Шаг 3

Стадия развития вакуумного пробоя. Всё бОльшее количество электронов эмитируются из катодной плазмы. Начинается разогрев анода, но анодной плазмы ещё нет.

Шаг 4

Начало появления анодной плазмы и её распространения в разрядный промежуток.

Шаг 5

Полное закорачивание разрядного промежутка. Плазма заполняет весь объем межэлектродного пространства, явление взрывной электронной эмиссии прекращается. Разряд переходит в дугу и вот вам чудо — на катоде появилось катодное пятно (КП), о котором я рассказывал выше. Теперь роль катодного пятна в дуговом разряде — поддерживать плотность носиелей заряда за счёт термоэмиссии электронов. Этот процесс приводит к ещё бОльшему дополнительному разогреву катодного пятна.
Время развития взрывной электронной эмиссии не велико — от единиц до сотен наносекунд. Катодные же пятна могут гореть значительно дольше — до тех пор, пока существует дуга.

При этом взрывная электронная эмиссия единственный вид эмиссии, позволяющий получать плотность тока величиной 109 А/см2, и потоки электронов мощностью — 1013 Вт.

Таким образом, причиной появления катодного пятна является взрывная электронная эмиссия, а что же такое тот самый пресловутый эмиссионный центр, с которого она начинается? Оказывается всё просто. Это неоднородности и шероховатости поверхности катода и, подчас, элементарная грязь!

На поверхности катода имеются неоднородности. Это, так называемые, микроострия или микроэмиттеры. На рисунке показано, как протекает явление взрывной электронной эмиссии непосредственно в эмиссионном центре. Таким образом, некачественная обработка катодов, наличие неоднородности и шероховатости поверхности повышает вероятность появления эмиссионных центров и, как следствие, катодных пятен в дальнейшем. А так выглядит поверхность катода после взрывной эмиссии. Просматривается наличие кратеров и следов разлета вещества катода.

Если сгладить поверхность или оплавить её мощным электронным пучком, то количество эмиссионных центров резко падает, что значительно усложняет процесс образования катодных пятен. Это очень важно в технологических применениях, когда требуется высокая прочность вакуумной изоляции, к примеру, в разрядниках, где главная задача держать высокое напряжение между катодом и анодом до момента отдачи запасенной энергии (как правило, от высоковольтного конденсатора) в полезную нагрузку. И наоборот. Если требуется высокая эмиссионная способность катодов, то их изготавливают с «развитой» поверхностью. К примеру, из лезвий для бритья, оплетки медного кабеля или вспененных проводящих материалов. Голь на выдумки хитра, как говорится…

На этом будем считать теоретическую часть достаточной. Не смотря на кажущуюся простоту всего того, что я рассказал в этой статье, на самом деле за этим лежат годы увлекательных научных исследований различных групп ученых со всего мира и, в первую очередь, советских и российских ученых под руководством Геннадия Месяца, его последователей и учеников — создателей целого направления в исследовании физики мощных потоков энергии. Главное в открытии взрывной электронной эмиссии — прикладные применения, связанные с созданием оборудования для генерации мощных электронных пучков, рентгеновских источников, технологий модификации металлов и сплавов. Всего более сотни уникальных технологий.

Вскоре для примера я опишу технологию и оборудование по генерации сильноточных электронных пучков для модификации металлов и сплавов. Такое оборудование поставляется в Японию, США, Китай и в Европу. В науке нет санкций. Ну или значительно меньше, чем в политике)))

На фото пример обработки детали высоковольтного разрядника. Из исходной детали (слева) после обработки получается деталь с беспрецедентной электрической прочностью. Подробнее об этой технологии и интересных сферах её применения (к примеру, в стоматологии), я напишу в самые ближайшие дни! Как говорится, не пропустите!)))

Я также хочу поблагодарить моих коллег за помощь в подготовке этого материала. Благодарю Александра Батракова, Алексея Маркова и Евгения Нефёдцева за полезные консультации. Все эти люди — научные сотрудники ИСЭ СО РАН в Томске. Об этом уникальном Институте и о технологиях, в основе которых, в частности, лежит взрывная электронная эмиссия, можно посмотреть в научно-популярном ролике ниже (13 минут)


Хорошего дня!

Комментарии (33)


  1. Rumlin
    05.05.2015 09:48
    +1

    технологию и оборудование по генерации сильноточных электронных пучков

    всегда было интересно какие токи и мощность у этих устройств.


    1. Uris Автор
      05.05.2015 10:40
      +2

      Токи и напряжения огромны. Для примера, в установке на которой я работал токи были до 35 тысяч ампер при ускоряющем напряжении 30-40 тысяч вольт. Генерация пучка длится не долго — 3 микросекунды. Но этого вполне достаточно, чтобы расплавить и модифицировать любой металлический предмет или оставить вот такой след, который называется «автографом пучка» image


      1. roller
        05.05.2015 17:22

        Не очень понятно что есть след. Большое отражающее пятно? Куда смотреть вообще?


        1. Uris Автор
          05.05.2015 17:44
          +2

          Пучок оплавил металл, оставив зеркальный след.


        1. vladikas
          06.05.2015 14:31

          А в статье про это есть. Я, например, догадался сразу «куда смотреть».


      1. nickolaym
        07.05.2015 11:41
        +1

        А этих 3 мкс не достаточно, чтобы уделать всех людей вокруг рентгеновскими лучами?


        1. Uris Автор
          07.05.2015 11:49
          +3

          В тех установках, на которых я работал — нет. Катоды не из тяжелых металлов и ускоряющие напряжения ещё не велики. Мягкий рентген есть, но вакуумная камера из нержавейки в 5 мм всё гасит. Но сильноточная электроника не вся такая безобидная. Посмотрите видео к статье. Есть установки, где один выстрел может привести к смерти человека. Поэтому строжайшая техника безопасности, сирена перед выстрелом, бетонные стены и экран комнаты. Все серьезно.


  1. unwrecker
    05.05.2015 10:20
    +3

    «На фото пример обработки детали высоковольтного разрядника.»
    Ну надо же! А выглядит точно как фиксатор диска от болгарки. :)


    1. Uris Автор
      05.05.2015 10:50
      +5

      Ничего удивительного. Замечательная универсальная деталь. В болгарке крепит диск, в разряднике используется для крепления катода. Также как болты, гайки и шайбы)))


  1. hungry_ewok
    05.05.2015 10:33

    >На фото пример обработки детали высоковольтного разрядника.

    … которая поразительно похожа на зажимную гайку от болгарки. ;)


    1. spanasik
      05.05.2015 11:22
      +2

      Ничего удивительного. Замечательная универсальная деталь. В болгарке крепит диск, в разряднике используется для крепления катода. Также как болты, гайки и шайбы)))


      1. Uris Автор
        05.05.2015 11:30
        +3

        Отзывы клонируются. Чудесно!


        1. spanasik
          05.05.2015 11:33
          +3

          суперсимметрия!


  1. progman_rus
    05.05.2015 10:46
    +1

    Я правильно понимаю, что если поверхность катода и анода идеально гладкие без неровностей и без примесей то дуговой разряд между ними становится невозможен?


    1. Uris Автор
      05.05.2015 10:56
      +2

      В идеале — да, но… Иметь материал с крайне высокой электрической прочностью было бы здорово! Представьте себе разрядник, который держит любые напряжения и не пробивается до тех пор, пока мы сами не запустим поджигающий импульс. Класс! Но на самом деле такую чистоту материала получить не просто. Применяются различные технологии очистки, обработки, полировки и даже плавка металлов в глубоком сверхчистом вакууме. Однако, полностью исключить взрывную эмиссию пока (а может и вообще) не возможно


    1. mayorovp
      05.05.2015 11:02
      +1

      Нет, просто повышается требуемое для этого напряжение…


      1. Uris Автор
        05.05.2015 11:05
        +1

        Или так


        1. SteelStrannik
          24.05.2015 04:54

          В конечном итоге пробой начнется на максимально близких поверхностях (вряд ли можно выровнять положение катода и анода относительно друг друга с точностью до одного атома). Ну и единственная микропылинка (безупречного ваккума тоже фиг добьешья) может инициировать пробой. Взгляд дилетанта)


          1. Uris Автор
            24.05.2015 14:59

            Не такой уж он и дилетантский я вам скажу...)


  1. Bombus
    05.05.2015 11:28
    +1

    Механизм развития взрывной электронной эмиссии очень напоминает механизм грозового пробоя. Здесь, неровность, неоднородность, там отдельно стоящее дерево. И где тонко, там и рвется.


    1. flerant
      06.05.2015 13:05

      Сходство очень отдалённое, молния развивается во многом по-другому. В её формировании большое значение имеет создание канала-стримера.


  1. qbertych
    05.05.2015 11:52

    Не совсем понятно за счет чего именно происходит микровзрыв, если ток в этот момент почти нулевой. Из-за того что площадь дефекта слишком маленькая?


    1. Uris Автор
      05.05.2015 12:02

      На микроострие резко повышается напряженность поля, поэтому и начинается развитие взрывной эмиссии. Вы совершенно точно понимаете механизм. А для того, чтобы снизить вероятность взрыва, необходимо сгладить неровности.


      1. qbertych
        05.05.2015 12:48

        Понятно. А в какой момент лавинообразное разрастание плазмы прекращается? На первый взгляд это определяется плотностью тока, то есть опять-таки размером: как только ток начинает течь через достаточно большую площадь, взрываться больше нечему.


        1. Uris Автор
          05.05.2015 12:52

          А теперь уже катодные пятна являются источником эмиссии электронов в достаточном количестве для протекания тока дугового разряда)


          1. qbertych
            05.05.2015 13:30

            А сколько «взрывов» происходит за один импульс? То есть «лунная поверхность» с кучей кратеров — это примерно через сколько импульсов?


            1. Uris Автор
              05.05.2015 14:16

              Множество импульсов. И старый кратер может быть причиной образования новых пятен из-за наличия перетяжек и новых острий на поверхности


  1. egigd
    06.05.2015 03:19
    +3

    На сколько я помню лекции по этой теме, главным во взрывной эмиссии является то, что на острие напряжённость электрического поля возрастает настолько, что исчезает потенциальный барьер выхода электронов из металла, что и даёт почти неограниченную плотность тока. Ну а автоэлектронная эмиссия — когда барьер есть, но маленький, так что многие электроны туннелируют уже при комнатной температуре.
    Но здесь что-то ни слова об этом важнейшем факте…


    1. Uris Автор
      06.05.2015 07:10

      Почему? Ваш отзыв как раз обратил внимание на этот важный факт. Те, кто комментируют, для меня равноправные соавторы.


      1. egigd
        06.05.2015 16:23
        +1

        Тогда ещё, может, стоит указать, что «задача» катодного пятна в дуговом разряде — поддерживать плотность носиелей заряда за счёт термоэмиссии электронов? Т.к. оно небольшое, а почти весь ток течёт через него, там происходит достаточный нагрев.


        1. Uris Автор
          06.05.2015 16:33
          +1

          Да, это важно. Не поленился и добавил часть вашего отзыва прямо в тело статьи!


  1. ioccy
    09.05.2015 22:34

    Я вам принес идеальную поверхность, пусть тут полежит:

    image


    1. Rumlin
      10.05.2015 00:09

      Над поверхностью паров металла много.